堤壩防滲設(shè)計(jì)在水利工程中的應(yīng)用

馬曉麗，李德祥，錢志文

（1.青海省水利水電科技發(fā)展有限公司，青海西寧810001；2.青海省祁連縣水利局，青海祁連810400）

堤壩防滲設(shè)計(jì)在水利工程中的應(yīng)用

馬曉麗1，李德祥2，錢志文2

（1.青海省水利水電科技發(fā)展有限公司，青海西寧810001；2.青海省祁連縣水利局，青海祁連810400）

水庫堤壩工程直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求做好堤壩設(shè)計(jì)，特別是堤壩的防滲設(shè)計(jì)。本文結(jié)合具體的水庫堤壩設(shè)計(jì)工程實(shí)例，簡要探討堤壩結(jié)構(gòu)形式的選擇以及堤壩結(jié)構(gòu)防滲設(shè)計(jì)，希望能對(duì)類似工程起到借鑒作用。

堤壩工程；防滲設(shè)計(jì)；水利工程

引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水利工程建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展。水利工程作為我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，它的工程安全和質(zhì)量直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。堤壩工程是水利工程的重要組成部分，在堤壩的設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行。對(duì)于堤壩工程而言，其防滲非常重要，因此在堤壩工程設(shè)計(jì)中應(yīng)做好防滲設(shè)計(jì)。

1 工程概況

本堤壩主要由三個(gè)段落組成，分別為西側(cè)堤壩、外側(cè)堤壩以及東側(cè)堤壩。堤壩的總長度為3512.34m。堤壩采用聚丙烯編織袋吹填壩型。在編織布袋內(nèi)充填取自附近河流內(nèi)的粉砂土，將其作為內(nèi)外大小棱體，并在棱體之間吹填粉砂土。此外，在堤壩上修建一座取水泵站和排水涵閘，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)是為了滿足進(jìn)水的需要。

2 堤壩的結(jié)構(gòu)型式

在選擇水庫堤壩形式時(shí)，應(yīng)按照因地制宜、就地取材等原則，同時(shí)應(yīng)綜合考慮工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件、水文條件、氣候條件以及筑堤材料、施工條件、工程造價(jià)、工程景觀等各方面的因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終選擇一個(gè)最佳的堤壩結(jié)構(gòu)型式。

本工程沿線灘面的高差大小不一，一般在2～5m之間，最大達(dá)到7m。根據(jù)堤壩所在區(qū)域地質(zhì)勘察報(bào)告，總體上本工程場(chǎng)地內(nèi)的土層分布較為穩(wěn)定。在工程所在區(qū)域附近的河流內(nèi)有較好的砂源地，儲(chǔ)量較為豐富，可以滿足設(shè)計(jì)和施工的需要，因此用作聚丙烯編織布袋內(nèi)的填土材料。

一般情況下，堤壩材料主要有土、土石、拋石和鋼筋混凝土，其中前兩種對(duì)地基土的要求最小，其次是拋石壩。因此本工程的堤壩形式可考慮土壩、土石壩和拋石壩三種形式，相對(duì)而言，拋石壩的堤身抗?jié)B性較差，進(jìn)行防滲處理往往需要投入較大的資金。本工程水庫正常運(yùn)行水位在4.5～5m之間，最高蓄水位可達(dá)到5.4m。本工程堤壩為3級(jí)建筑物，堤壩高程按5.4m設(shè)計(jì)，外側(cè)堤壩所在灘面高程為3m，最低處為-5m，東側(cè)堤壩地面高程為2～-4m之間，西側(cè)則為0～3m之間。堤壩堤身的高度在3～10.5m之間。堤頂?shù)膶挾葹?m。

在進(jìn)行堤壩壩坡設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮堤壩穩(wěn)定的要求。根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合相關(guān)的施工要求，本工程堤壩內(nèi)坡和外坡的坡比均為1∶3。在外坡需要設(shè)置平臺(tái)，平臺(tái)高程為1m，寬度為3m。在內(nèi)坡上同樣設(shè)置平臺(tái)，分別在高程-1m和3m處，寬度與外坡平臺(tái)一直。

為了堤壩工程的安全，在設(shè)計(jì)中還應(yīng)充分考慮風(fēng)浪、潮流等因素。一般混凝土層面厚度為0.7m。外坡采用灌砌塊石進(jìn)行護(hù)坡，厚度控制在0.4m，并且在其下設(shè)置一層袋裝碎石和土工反濾布，厚度控制在0.2m，同時(shí)在堤前設(shè)置拋石護(hù)底，其寬度控制在20m，在其下設(shè)置袋裝碎石和沙肋軟體排，厚度控制在0.4m。內(nèi)坡為0.4m的灌砌塊石，同時(shí)在其下也設(shè)置袋裝碎石和土工反濾布。堤壩形式設(shè)計(jì)完成之后，需要考慮堤壩的滲透問題，本工程堤壩堤身采用高壓噴射防滲板墻。

3 堤壩結(jié)構(gòu)防滲設(shè)計(jì)

本水庫工程堤壩為粉砂土吹填的均質(zhì)壩，壩體的滲透系數(shù)較大，一般為2×10-4cm/s左右。因此需要進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算分析，解決堤壩的滲流穩(wěn)定和滲透量問題。

3.1 滲流穩(wěn)定分析計(jì)算

3.1.1 計(jì)算工況

在計(jì)算模型中所設(shè)置的水位邊界包括:（1）外海潮位，主要考慮三種條件下的水位，分別為高程時(shí)的水位5.4m，多年平均高潮位3.92m，以及多年平均低潮水位-0.24m。（2）庫內(nèi)水位，主要考慮三種條件下的水位，分別為最高蓄水位5.4m，水庫檢修水位-3m以及水位1m。計(jì)算工況見表1。

表1 計(jì)算工況

3.1.2 計(jì)算方法

滲流計(jì)算方法采用平面滲流的有限元分析，滲流有限元的基本計(jì)算公式如下:

式中，［K］為滲水系數(shù)矩陣；﹛H﹜為總水頭向量；［M］為單元儲(chǔ)水量矩陣；﹛Q﹜為流量向量；t為時(shí)間。

3.1.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算所采用的土層滲透系數(shù)見表2。

表2 土層的滲透系數(shù)

3.1.4 計(jì)算結(jié)果

對(duì)不同工況下堤壩的滲流穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析，將其結(jié)果列于表3中。

表3 不同工況下堤壩的滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

從表3中可以清楚地看到，下游坡面滲流出逸坡降均大于粉砂的允許水力比降0.4，堤壩無法滿足滲流穩(wěn)定要求，需要設(shè)置防滲墻。

3.2 堤壩堤身防滲墻設(shè)計(jì)

考慮到本工程所設(shè)計(jì)的堤壩采用聚丙烯編織布袋充填施工成堤，因此，本工程底板采用垂直防滲方式效果相對(duì)較好。根據(jù)本工程堤壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本堤壩不適合采用垂直鋪塑、振動(dòng)沉模防滲板墻等防滲方法。高壓噴射防滲墻使用設(shè)備簡單、施工操作方便、施工效率高，耐久性強(qiáng)。高壓噴射墻體的有效厚度為0.2m，滲透系數(shù)為1×10-6cm/s。防滲墻插入到粘土泥面下的深度應(yīng)控制在2～4m之間。高壓噴射鉆孔孔距控制在1.5m。

當(dāng)?shù)虊蔚躺碓O(shè)置高壓噴射防滲板墻之后，再次對(duì)其進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，如表4所示為設(shè)置防滲墻之后堤壩的滲流穩(wěn)定分析結(jié)果。

表4 設(shè)置防滲墻之后堤壩的滲流穩(wěn)定分析結(jié)果

由表4得出，當(dāng)?shù)虊卧O(shè)置高壓噴射防滲板墻后，本工程堤壩滲流穩(wěn)定均能滿足設(shè)計(jì)和施工要求。

4 結(jié)語

堤壩設(shè)計(jì)關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全，在設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行，其中重點(diǎn)是做好堤壩防滲設(shè)計(jì)。文章結(jié)合具體的堤壩設(shè)計(jì)工程實(shí)例，在本工程水庫堤壩的設(shè)計(jì)方案中采用粉砂土吹填的均質(zhì)壩，針對(duì)堤壩的滲流穩(wěn)定和滲透流量情況，對(duì)堤壩設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算分析。

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TV871

A

1672-2469（2015）10-0099-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.31

馬曉麗（1981年—），女，工程師。